本发明公开了一种电流、电压比例变换及采样装置，包括一个宽量程零磁通电流比例变换器，一个双二次绕组双级电压互感器，二个A/D采样电路，一个无线通信设备II，一个直流电源，一个微处理器II；直流电源向无线通信设备II、微处理器II和二个A/D采样电路供电；双二次绕组双级电压互感器的A0端、AL端、2n与宽量程零磁通电流比例变换器的P1端连接；A/D采样电路I的输入端VIN与双二次绕组双级电压互感器的2a端连接，A/D采样电路II的输入端VIN与宽量程零磁通电流比例变换器的Ui端连接。本发明达到了消除泄漏电流的目的，同时满足了高压等电位采样和低压电位直接测量的要求。
1.一种电流、电压比例变换及采样装置，其特征在于：包括一个宽量程零磁通电流比例变换器(201)，一个双二次绕组双级电压互感器(202)，二个A/D采样电路，一个无线通信设备Ⅱ(205)，一个直流电源(206)，一个微处理器Ⅱ(207)；直流电源(206)向无线通信设备Ⅱ(205)、微处理器Ⅱ(207)和二个A/D采样电路供电；双二次绕组双级电压互感器(202)的A0端、AL端、2n与宽量程零磁通电流比例变换器(201)的P1端连接，双二次绕组双级电压互感器(202)的X0端与XL端连接；A/D采样电路Ⅰ(203)的输入端VIN与双二次绕组双级电压互感器(202)的2a端连接，A/D采样电路Ⅱ(204)的输入端VIN与宽量程零磁通电流比例变换器(201)的Ui端连接，A/D采样电路Ⅰ(203)A/D采样电路Ⅱ(204)的公共端com以及无线通信设备Ⅱ(205)、直流电源(206)、微处理器(207)的接地端GND连接至宽量程零磁通电流比例变换器(201)的P1端，与电能计量装置整体检验装置一次电压等电位；微处理器Ⅱ(207)控制A/D采样电路Ⅰ(203)和A/D采样电路Ⅱ(204)，微处理器Ⅱ(207)连接无线通信设备Ⅱ(205)，其中：A0、X0----分别为双二次绕组双级电压互感器一次绕组N1的高电位端、低电位端；
AL、XL----分别为双二次绕组双级电压互感器励磁绕组NL的高电位端、低电位端；
2a、2n----分别为双二次绕组双级电压互感器二次绕组N3的非极性端、极性端；
P1----为宽量程零磁通电流比例变换器一次绕组极性端；
Ui----为宽量程零磁通电流比例变换器输出电压端。
2.根据权利要求1所述的电流、电压比例变换及采样装置，其特征在于：所述宽量程零磁通电流比例变换器(201)包括一个零磁通电流互感器、一个电流/电压转换取样电阻器、一个磁平衡检测及驱动电路、五个比例绕组量程切换继电器J01、J02、J03、J04、J05，一次绕组W1、二次比例绕组W2、磁平衡检测绕组WT；磁平衡检测绕组WT的T1接磁平衡检测及驱动电路的信号输入端Si，磁平衡检测绕组WT的T2端接驱动电路的com端；二次比例绕组W2的极性端S1接输出端Ui，二次比例绕组W2的S2、S3、S4、S5、S6端分别接继电器的J01、J02、J03、J04、J05开闭接点,继电器J01～J05的固定接点接磁平衡检测及驱动电路的电流输出端Io；电流取样电阻R串联在S1与com端子之间；磁平衡检测及驱动电路的com接公共端com；
T1、T2----分别为宽量程零磁通电流互感器二次磁平衡检测绕组极性端和非极性端；
S2、S3、S4、S5、S6----为宽量程零磁通电流互感器二次绕组各量程非极性端。
3.根据权利要求2所述的电流、电压比例变换及采样装置，其特征在于：其中，磁平衡检测绕组均匀绕制在环形铁芯Ⅰ(1)上，然后将环形铁芯Ⅱ(2)镶嵌在环形铁芯Ⅰ(1)内部，再将比例绕组均匀绕制在环形铁芯Ⅰ(1)和环形铁芯Ⅱ(2)上；一次绕组也均匀绕制在环形铁芯Ⅰ(1)和环形铁芯Ⅱ(2)上。
4.根据权利要求1所述的电流、电压比例变换及采样装置，其特征在于：所述双二次绕组双级电压互感器包括第一级铁芯、第二级铁芯，励磁绕组NL绕制在第一级铁芯上，一次绕组N1和二次绕组N2、二次绕组N3绕制在第一级铁芯和第二级铁芯上，励磁绕组NL的高电位端AL与一次绕组N1的高电位端A0连接，励磁绕组NL的低电位端XL与一次绕组N1的低电位端X0连接；二次绕组N3的极性端2n与一次绕组N1的高电位端A0连接，二次绕组N3的非极性端2a设置在一次绕组N1的高电位端A0一侧。
5.根据权利要求4所述的电流、电压比例变换及采样装置，其特征在于：二次绕组N3的非极性端2a与一次绕组N1的低电位端X0的绝缘距离应不小于一次绕组N1的高电位端A0与一次绕组N1的低电位端X0的距离。
6.根据权利要求4所述的电流、电压比例变换及采样装置，其特征在于：自一次绕组N1的高电位端A0引出A0端，自一次绕组N1的低电位端X0引出X0端，自二次绕组N2的非极性端1a引出1a端，自二次绕组N2的极性端1n引出1n端，自二次绕组N3的非极性端2a引出2a端。
一种电流、电压比例变换及采样装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种电流、电压比例变换及采样装置，属电测量技术领域。
背景技术
[0002] 高压电能计量装置采样涉及对高压状态下的电流、电压值的精确测量，常规测量方法是通过互感器将一次高电压、大电流按比例变换成便于测量的二次电压、电流后再进行测量(如图1所示)，由于电流互感器的一次绕组与二次绕组是绝缘的且均匀地绕制在同一磁芯上以及绝缘质量等因素，依据电工原理在一次绕组与二次绕组之间会存在一定的分布电容及漏电抗，当一次绕组与二次绕组之间施加运行电压时将产生泄漏电流，该泄漏电流与电流互感器二次电流形成叠加，使高压状态下电流的测量产生附加误差，导致高压电能测量不准确。
发明内容
[0003] 本发明的目的是提供一种电流、电压比例变换及采样装置，以消除泄漏电流的影响，并达到宽量程测量目的。
[0004] 本发明(1)采用二次电流等电位采样方法，迫使电流比例变换器的二次回路与一次回路等电位，将电流比例变换器一次回路与二次回路的电压差为零，达到消除泄漏电流的目的；(2)采用二次电压采样电路与电流采样电路等电位方法，满足电能量的高精度测量电流、电压值必须同步采样的要求；(3)为适应电流、电压高压等电位测量，采用双二次绕组双级电压互感器替换普通电压互感器，普通电压互感器仅有一个二次绕组，本发明在保留原有一个二次绕组基础上，增加一个以一次电压为参照电位的二个二次绕组；
[0005] 本发明所述电流、电压比例变换及采样装置包括一个宽量程零磁通电流比例变换器，一个双二次绕组双级电压互感器，二个A/D采样电路，一个无线通信设备Ⅱ，一个直流电源，一个微处理器Ⅱ；直流电源向无线通信设备Ⅱ、微处理器Ⅱ和二个A/D采样电路供电；双二次绕组双级电压互感器的A0端、AL端、2n与宽量程零磁通电流比例变换器的P1端连接，双二次绕组双级电压互感器的X0端与XL端连接；A/D采样电路Ⅰ的输入端VIN与双二次绕组双级电压互感器的2a端连接，A/D采样电路Ⅱ的输入端VIN与宽量程零磁通电流比例变换器的Ui端连接，A/D采样电路Ⅰ、A/D采样电路Ⅱ的公共端com以及无线通信设备Ⅱ、直流电源、微处理器的接地端GND连接至宽量程零磁通电流比例变换器的P1端，与电能计量装置整体检验装置一次电压等电位；微处理器Ⅱ控制A/D采样电路Ⅰ和A/D采样电路Ⅱ，微处理器Ⅱ连接无线通信设备Ⅱ。
[0006] 本发明的有益效果是，采用一次回路与二次回路等电位的电流比例变换器，使一次回路对二次回路电位差为零，达到了消除泄漏电流的目的。由于一次回路对二次回路电位差为零，使得电流比例变换器的绝缘结构简单，便于宽量程零磁通电流互感器的应用，将额定二次电流设计为0.1A，增加匝数比有利于提高互感器的准确度，可实现电流量程的程控自动切换，同时减小了磁芯及二次绕组导线的截面积，使电流比例变换器具有体积小、重量轻、造价低、便于集成等优点；采用双二次绕组双级电压互感器，同时满足了高压等电位采样和低压电位直接测量的要求。
附图说明
[0007] 图1是电流、电压比例变换及采样装置示意图；
[0008] 图2是宽量程零磁通电流比例变换器示意图。
[0009] 图中符号：
[0010] TVG----为双二次绕组双级电压互感器；
[0011] A0、X0----分别为双二次绕组双级电压互感器一次绕组N1的高电位端、低电位端；
[0012] AL、XL----分别为双二次绕组双级电压互感器励磁绕组NL的高电位端、低电位端；
[0013] 1a、1n----分别为双二次绕组双级电压互感器二次绕组N2的非极性端、极性端；
[0014] 2a、2n----分别为双二次绕组双级电压互感器二次绕组N3的非极性端、极性端；
[0015] I1----为一次电流；
[0016] P1、P2----分别为宽量程零磁通电流比例变换器一次绕组极性端、非极性端；
[0017] W1----为宽量程零磁通电流比例变换器一次绕组；
[0018] W2----为宽量程零磁通电流比例变换器二次比例绕组；
[0019] WT----为宽量程零磁通电流比例变换器二次检测绕组；
[0020] 1、2----分别为宽量程零磁通电流比例变换器二个环形铁芯；
[0021] J01、J02、J03、J04、J05----分别为宽量程零磁通电流互感器二次比例绕组量程切换继电器接点；
[0022] S1----为宽量程零磁通电流互感器二次绕组极性端；
[0023] S2、S3、S4、S5、S6----为宽量程零磁通电流互感器二次绕组各量程非极性端；
[0024] T1、T2----分别为宽量程零磁通电流互感器二次磁平衡检测绕组极性端和非极性端；
[0025] Ui----为宽量程零磁通电流比例变换器输出电压端；
[0026] R----为宽量程零磁通电流比例变换器二次电流取样电阻；
[0027] VIN----为模数转换集成电路模拟量输入端；
[0028] com----为公共端；
[0029] data bus----为数据总线；
[0030] GND----为公共端；
[0031] V+----为直流电源；
[0032] Vcc----为集成电路工作电源输入端；
具体实施方式
[0033] 下面结合附图对本发明的具体实施步骤作进一步的描述。
[0034] 电流、电压比例变换及采样装置如附1所示，包括一个宽量程零磁通电流比例变换器(201)，一个双二次绕组双级电压互感器(202)，二个A/D采样电路，一个无线通信设备Ⅱ(205)，一个直流电源(206)，一个微处理器Ⅱ(207)；直流电源(206)向无线通信设备Ⅱ(205)、微处理器Ⅱ(207)和二个A/D采样电路供电；双二次绕组双级电压互感器(202)的A0端、AL端、2n与宽量程零磁通电流比例变换器(201)的P1端连接，双二次绕组双级电压互感器(202)的X0端与XL端连接；A/D采样电路Ⅰ(203)的输入端VIN与双二次绕组双级电压互感器(202)的2a端连接，A/D采样电路Ⅱ(204)的输入端VIN与宽量程零磁通电流比例变换器(201)的Ui端连接，A/D采样电路Ⅰ(203)A/D采样电路Ⅱ(204)的公共端com以及无线通信设备Ⅱ(205)、直流电源(206)、微处理器(207)的接地端GND连接至宽量程零磁通电流比例变换器(201)的P1端，与电能计量装置整体检验装置一次电压等电位；微处理器Ⅱ(207)控制A/D采样电路Ⅰ(203)和A/D采样电路Ⅱ(204)对比例变换后的电流、电压信号实施同步采样和数据存储，并分别计算出电流有效值、电压有效值、有功功率、无功功率、电能、相位，计算方法如下：
[0035] 电压有效值计算：
[0036]
[0037]
[0038] 电流有效值计算：
[0039]
[0040] 推导参见《电能计量技能考核培训教材》，中国电力出版社，陈向群主编，P139～P140；
[0041] 一个周期内平均有功功率计算：
[0042]
[0043] 一个周期内有功电能计算：
[0044]
[0045] 推导参见《电能计量技能考核培训教材》，中国电力出版社，陈向群主编，P97～P98；
[0046] 一个周期内平均无功功率计算：
[0047]
[0048] 一个周期内无功电能计算：
[0049]
[0050] 推导参见《电能计量技能考核培训教材》，中国电力出版社，陈向群主编，P133功率因数计算：
[0051]
[0052] 推导参见《电能计量技能考核培训教材》，中国电力出版社，陈向群主编，P135[0053] 式(1)～(8)中：T——正弦波周期时间；
[0054] n——一个周期内的采样次数；
[0055] U——电压有效值；
[0056] I——电流有效值；
[0057] P——一个周期内平均有功功率；
[0058] Q——一个周期内平均无功功率；
[0059] φ——相位
[0060] I(tk)——在tk时刻的电流瞬时值；
[0061] U(tk)——在tk时刻的电压瞬时值；
[0062] Δt——采样时间间隔；
[0063] ——滞后tk时刻四分之一周期的电流瞬时值；
[0064] 宽量程零磁通电流比例变换器(201)如附图2所示。包括一个零磁通电流互感器，一个电流/电压转换取样电阻器，一个磁平衡检测及驱动电路，五个比例绕组量程切换继电器J01、J02、J03、J04、J05。一次绕组W1穿心一匝，具体实施时可由一次电流导线替代；W2为二次比例绕组，其抽头S2、S3、S4、S5、S6分别对应1A、5A、20A、100A、500A五个电流量程；WT为磁平衡检测绕组。电流量程与继电器接点的逻辑关系(见表1)；WT绕组的T1接磁平衡电路信号输入端Si，WT绕组的T2接com端；W2绕组的S1接输出端Ui，W2绕组的S2、S3、S4、S5、S6端分别接继电器的J01、J02、J03、J04、J05开闭接点,继电器J01～J05的固定接点接磁平衡检测及驱动电路的电流输出端I0；电流取样电阻R串联在S1与公共端com端之间。磁平衡检测及驱动电路的com接公共端com。其中，磁平衡检测绕组均匀绕制在环形铁芯Ⅰ1上，然后将环形铁芯Ⅱ2镶嵌在环形铁芯Ⅰ1内部，再将比例绕组均匀绕制在环形铁芯Ⅰ1和环形铁芯Ⅱ2上。一次绕组也均匀绕制在环形铁芯Ⅰ1和环形铁芯Ⅱ2上。
[0065] 表1
[0066]
[0067] 注：表中“√”表示接点闭合，“×”表示接点断开。
[0068] 绕组匝数计算：
[0069] 依据电流互感器基本原理，一次电流与一次绕组匝数之积等于二次电流与二次绕组匝数之积，即：
[0070] I1W1＝I2W2……………(9)
[0071] 式中：
[0072] I1、I2分别为一次电流、二次电流；
[0073] W1、W2分别为一次绕组匝数、二次绕组匝数；
[0074] 由于W1为1匝，I2＝0.1A则：
[0075]
[0076] 各量程二次绕组由分段绕组线圈串联组成，各段绕组匝数见表2：
[0077] 表2
[0078]
[0079]
[0080] 参照图1，双二次绕组双级电压互感器包括第一级铁芯、第二级铁芯，励磁绕组NL绕制在第一级铁芯上，一次绕组N1和二次绕组N2、二次绕组N3绕制在第一级铁芯和第二级铁芯上，励磁绕组NL的高电位端AL与一次绕组N1的高电位端A0连接，励磁绕组NL的低电位端XL与一次绕组N1的低电位端X0连接；二次绕组N3的极性端2n与一次绕组N1的高电位端A0连接，二次绕组N3的非极性端2a设置在一次绕组N1的高电位端A0一侧。二次绕组N3的非极性端2a与一次绕组N1的低电位端X0的绝缘距离应不小于一次绕组N1的高电位端A0与一次绕组N1的低电位端X0的距离。二次绕组N3的非极性端2a与一次绕组N1的高电位端A0之间绝缘距离应不小于2mm。自一次绕组N1的高电位端A0引出A0端，自一次绕组N1的低电位端X0引出X0端，自二次绕组N2的非极性端1a引出1a端，自二次绕组N2的极性端1n引出1n端，自二次绕组N3的非极性端2a引出2a端。
[0081] 本发明的电流、电压比例变换及采样装置制作步骤如下：
[0082] (1)构建宽量程零磁通电流比例变换器(201)，一次绕组W1穿心一匝，具体实施时可由一次大电流导线替代；W2为二次比例绕组，其抽头S2、S3、S4、S5、S6分别对应1A、5A、20A、100A、500A五个电流量程，额定二次电流为0.1A；WT为磁平衡检测绕组。电流量程与继电器接点的逻辑关系见表1；WT绕组的T1接磁平衡检测及驱动电路的信号输入端Si，WT绕组的T2接磁平衡检测及驱动电路的com端；W2绕组的S1接输出端Ui，W2绕组的S2、S3、S4、S5、S6端分别接继电器的J01、J02、J03、J04、J05开闭接点,继电器J01～J05的固定接点接磁平衡检测及驱动电路的电流输出端I0；电流取样电阻R串联在S1与com端子之间。磁平衡检测及驱动电路的com接公共端com，其中，磁平衡检测绕组均匀绕制在环形铁芯1上，然后将环形铁芯2镶嵌在环形铁芯1内部，再将比例绕组均匀绕制在环形铁芯1和环形铁芯2上。一次绕组也均匀绕制在环形铁芯1和环形铁芯2上。
[0083] (2)构建电流、电压比例变换及采样单元：双二次绕组双级电压互感器(202)的A0端、AL端、2n与宽量程零磁通电流比例变换器(201)的P1端连接，双二次绕组双级电压互感器(202)的X0端与XL端连接；A/D采样电路Ⅰ(203)的输入端VIN与双二次绕组双级电压互感器(202)的2a端连接，A/D采样电路Ⅱ(204)的输入端VIN与宽量程零磁通电流比例变换器(201)的Ui端连接，A/D采样电路Ⅰ(203)和A/D采样电路Ⅱ(204)公共端com以及无线通信设备Ⅱ(205)、直流电源(206)、微处理器Ⅱ(207)的接地端GND连接至宽量程零磁通电流比例变换器(201)的P1端，与电能计量装置整体检验装置一次电压等电位。
[0084] 本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
